JP2007159297A - High-frequency heating inverter apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば高周波誘導加熱装置等として好適に使用可能な高周波加熱用インバータ装置に関する。 The present invention relates to an inverter device for high frequency heating that can be suitably used, for example, as a high frequency induction heating device.
従来、高周波誘導加熱を利用して丸鋸の台金に超硬チップをロウ付けする際に使用されるインバータ装置としては、例えば特許文献1に開示されているように、4個のスイッチング素子をフルブリッジに接続し、この各スイッチング素子にダイオ−ドを直列接続すると共に、ダイオ−ドに抵抗を並列接続したものが知られている。
Conventionally, as an inverter device used when brazing a cemented carbide chip to a circular saw base metal using high-frequency induction heating, for example, as disclosed in
ところが、このインバータ装置は、スイッチング素子に直列接続されているダイオ−ドやスイッチング素子等に電気的特性値のバラツキがあると、並列接続された各スイッチング素子に流れる電流がアンバランスとなり、特定のスイッチング素子に大電流が集中して、該スイッチング素子が破損する場合がある。 However, in this inverter device, if there are variations in the electrical characteristic values of the diodes or switching elements connected in series to the switching elements, the current flowing through the switching elements connected in parallel becomes unbalanced, and A large current concentrates on the switching element, and the switching element may be damaged.
そこで、当出願人は、このような不都合を解消するために、特許文献2に示すインバータ装置を出願した。このインバータ装置は、並列接続された1対のスイッチング素子と、該スイッチング素子にそれぞれ直列接続された整流素子とを備え、スイッチング素子と整流素子との間を薄い銅板で接続すると共に、該銅板の枚数によって各スイッチング素子を流れる電流をバランスさせるようにしたものである。
しかしながら、このようなインバータ装置にあっては、銅板の枚数調整によって各スイッチング素子に流れる電流をある程度バランスさせることができるものの、特に高周波の大電流が必要なインバータ装置や着脱可能な加熱コイルとのマッチングが取り難いインバータ装置等において、各スイッチング素子に流れる電流を効果的かつ確実にバランスさせることが難しく、スイッチング素子の破損が依然として生じ易いという問題点を有している。 However, in such an inverter device, although the current flowing through each switching element can be balanced to some extent by adjusting the number of copper plates, particularly with an inverter device requiring a high current at a high frequency or a detachable heating coil. Inverter devices and the like that are difficult to match, it is difficult to effectively and reliably balance the currents flowing through the switching elements, and the switching elements are still easily damaged.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、簡易な構成により各スイッチング素子に流れる電流を電気的にバランスさせて、各スイッチング素子の破損を確実に防止し得る高周波加熱用インバータ装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a high-frequency circuit that can electrically prevent the current flowing through each switching element with a simple configuration and reliably prevent damage to each switching element. The object is to provide an inverter device for heating.
かかる目的を達成すべく、本発明のうち請求項1に記載の発明は、半導体スイッチング素子を有する複数のアームをブリッジ接続して構成されると共に、共通端子と各半導体スイッチング素子との間に電流バランス手段が設けられた高周波加熱用インバータ装置であって、前記電流バランス手段は、少なくと4つの開口を形成する複数の貫通孔を有するコアと、該コアの各貫通孔の一方の開口から他方の開口に向けて挿通されると共に各貫通孔間に直列状態で接続された一対の導体とを備え、前記一対の導体は、コアの各貫通孔部分において電流が逆方向に設定されていることを特徴とする。
In order to achieve this object, the invention according to
また、請求項2に記載の発明は、前記コアが、E型コアとI型コアもしくは一対のE型コアを接合することにより、2つの貫通孔を有することを特徴とし、さらに、請求項3に記載の発明は、前記一対の導体が、複数枚の薄い銅板を積層することにより形成され、前記コアの貫通孔内で所定方向に対向配置されていることを特徴とする。 The invention according to claim 2 is characterized in that the core has two through-holes by joining an E-type core and an I-type core or a pair of E-type cores. The invention described in 1 is characterized in that the pair of conductors are formed by laminating a plurality of thin copper plates, and are disposed to face each other in a predetermined direction in the through hole of the core.
本発明の請求項1に記載の発明によれば、ブリッジ接続された各アームの共通端子と当該各アームの半導体スイッチング素子との間に、コアに設けられた複数の各貫通孔に一対の導体が電流方向が逆となるように直列状態で挿通された電流バランス手段が設けられているため、電流バランス手段に直列状態の複数のバランス部が形成され、並列接続状態の各アームに流れる電流がこの電流バランス手段の各バランス部で効果的にバランスされ、大電流時や加熱コイルのマッチング不具合時等に生じ易い電流のアンバランスを電気的に効率良く解消することができて、各半導体スイッチング素子の破損を確実に防止することができる。 According to the first aspect of the present invention, a pair of conductors are provided in each of the plurality of through holes provided in the core between the common terminal of each arm connected in a bridge connection and the semiconductor switching element of each arm. Current balance means inserted in series so that the current direction is reversed, a plurality of series balance parts are formed in the current balance means, and the current flowing through each arm in parallel connection is Each semiconductor switching element can be effectively balanced by each balance part of the current balance means, and can electrically and efficiently eliminate the current imbalance that is likely to occur when there is a large current or heating coil matching failure. Can be reliably prevented.
また、請求項2に記載の発明によれば、請求項1に記載の発明の効果に加え、コアがE型コアとI型コアもしくは一対のE型コアを接合することにより、2つの貫通孔を有する如く形成されているため、コアをE型コアやI型コア等の既存のコアの接合により簡単に形成できて、電流バランス手段の構成を簡略化して安価に形成することができる。
According to the invention described in claim 2, in addition to the effect of the invention described in
さらに、請求項3に記載の発明によれば、請求項1または2に記載の発明の効果に加え、一対の導体が複数枚の薄い銅板を積層することにより形成されて、コアの貫通孔内で所定方向に対向配置されているため、薄い銅板の積層により各銅板の表層を流れる高周波電流により導体の電流容量を十分に確保できると共に、薄板の使用により例えば銅板の折り曲げが容易となって各導体の製造を簡単に行うこと等ができる。
Further, according to the invention described in claim 3, in addition to the effect of the invention described in
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
図1〜図3は、本発明に係わる高周波加熱用インバータ装置の一実施形態を示し、図1がその基本回路図、図2が電流バランス手段の回路図、図3がその具体的構造を示す正面図及び一部断面にした側面図である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
1 to 3 show an embodiment of an inverter device for high-frequency heating according to the present invention, FIG. 1 is a basic circuit diagram thereof, FIG. 2 is a circuit diagram of current balance means, and FIG. 3 is a specific structure thereof. It is the side view made into the front view and the partial cross section.
図1において、インバータ装置1は、8個のアーム2a〜2hにそれぞれ接続された半導体スイッチング素子としての8個のIGBT3a〜3hを有している。各アーム2a〜2hは、2aと2b、2cと2d、2eと2f、2gと2hが直列接続され、アーム2a、2c、2e、2gの一端部が直流電源のプラス側の共通端子4aに接続され、アーム2b、2d、2f、2hの他端部が直流電源のマイナス側の共通端子4bに接続されることにより、フルブリッジ回路1aを形成している。
In FIG. 1, the
また、アーム2aと2b及びアーム2cと2dの接続点には一方の出力端子5aが接続され、アーム2eと2f及びアーム2gと2hの接続点には他方の出力端子5bが接続されている。この一対の出力端子5a、5bには、トランス6の一次側コイルが接続され、このトランス6の二次側コイルにはCTや加熱コイル等の負荷7が接続されている。そして、前記共通端子4aと、IGBT3a、3cのドレイン間及びIGBT3e、3gのドレイン間には電流バランス手段8がそれぞれ設けられ、また、前記共通端子4bと、IGBT3b、3dのソース間及びIGBT3f、3hのソース間にも電流バランス手段8がそれぞれ設けられている。
One
この電流バランス手段8は、図2に示すように、2つの貫通孔11、12を有するコア10と、このコア10の各貫通孔11、12に直列状態で挿通された一対の導体13、14からなる、所謂差動トランスで形成されている。前記コア10は、後述する如く形成された2つの貫通孔11、12の両端部に4個の開口11a、11b、12a、12bが形成されており、この各貫通孔11、12に一対の導体13、14が次のようにして挿通されている。
As shown in FIG. 2, the current balance means 8 includes a
すなわち、導体13は、一方の貫通孔11の一方の開口11aから他方の開口11bに向けて挿通されて下方に屈曲され、さらに他方の貫通孔12の他方の開口12bから一方の開口12aに向けて挿通されてその端部が例えば下方に引き出されている。また、導体14は、一方の貫通孔11の他方の開口11bから一方の開口11aに向けて挿通されて下方に屈曲され、さらに他方の貫通孔12の一方の開口12aから他方の開口12bに向けて挿通されてその端部が例えば下方に引き出されている。そして、各導体13、14の下方への引出し部が、所定のIGBT3a〜3hの所定の端子に図示しない銅板等を介して接続されている。これにより、共通端子4a、4bから引き出される導体13と導体14がコア10の各貫通孔11、12内を逆方向に挿通されて、各貫通孔11、12内にバランス部8a、8bが形成されている。
That is, the
図3は、この電流バランス手段8の具体的構成を示す正面図及び側面図である。図に示すように、電流バランス手段8のコア10は、E型コア10aの開口端部とI型コア10bとを接着剤で固着することにより一体化されて、2個の貫通孔11、12を有する如く形成されている。そして、このコア10の各開口11a、11b、12a、12bに直列状態で挿通される導体13と導体14は、一方の引出し部13a、14aと他方の引出し部13b、14bと一対のコア挿通部13c、14c及びコア挿通部13c、14c間を連結する連通部13d、14dを有し、各部を所定位置(例えば連結部13d、14dと一方のコア挿通部13c、14c間)で接続することにより略左右対称形状に形成されている。
FIG. 3 is a front view and a side view showing a specific configuration of the current balance means 8. As shown in the drawing, the
そして、所定幅の平板状の各導体13、14がコア10の板厚方向に対して略直交する方向に配置されると共に、各導体13、14が各貫通孔11、12の幅方向にずれた状態で挿通配置され、各導体13、14のコア挿通部13c、14cが各貫通孔11、12内において平面状で対向配置されて前記2つのバランス部8a、8bが形成されている。この時、各貫通孔11、12内の導体13と導体14のコア挿通部13c、14cの配置位置関係は、幅方向の平面状に限らず、図3(b)の二点鎖線で示すように、上下方向に斜めにずらして、すなわち、導体13を各貫通孔11、12の斜め上方に配置し、導体14を各貫通孔11、12の斜め下方に配置するようにしても良い。また、前記導体13と導体14は、図3(b)に拡大して示すように、板厚が0.3〜1mm程度で幅が10〜20mm程度で、かつその表面が例えば絶縁塗料等の塗布や絶縁テープの巻回等により絶縁処理17された薄い銅板15を複数枚(図では4枚)積層することによって形成されている。
The
なお、図1に示すIGBT3a〜3hのゲートには所定の発振回路(他励もしくは自励)等からなる図示しないドライブ回路が接続されており、このドライブ回路のドライブ信号(バイアス)によりIGBT3a〜3hがオン・オフして、出力端子5a、5b間に所定の高周波電流が得られるようになっている。また、例えばアーム2b、2d、2f、2hのソース側には、トランス式の電流検出器(図示せず)がそれぞれ接続され、各アーム2a〜2hに異常電流が流れた場合にこれを検出し、前記ドライブ回路を直ちに停止させてIGBT3a〜3hのオン・オフ動作を停止(電流供給を遮断)するようになっている。また、インバータ装置1の前記共通端子4a、4b間には、各アーム2a〜2hに所定の電荷(電力)を供給する電解コンデンサ21が接続されると共に、インバータ装置1の異常時等に電解コンデンサ21の電荷を放電させる抵抗22とダイオード23の直列回路が接続されている。
A drive circuit (not shown) composed of a predetermined oscillation circuit (external excitation or self-excitation) or the like is connected to the gates of the
次に、前記電流バランス手段8を使用したインバータ装置1の動作について説明する。IGBT3a、3c及びIGBT3f、3hの各ゲ−トとソ−ス間に、前記ドライブ回路から所定のドライブ信号が印加されると、これらのIGBT3a、3c、3f、3hがオンし、直流電源の共通端子4aから、電流がアーム2a、2cを介して矢印イの如く流れてこれがトランスンス6の一次側コイル、アーム2f、2hを介して共通端子4bに流れる。
Next, the operation of the
また、ドライブ信号により、IGBT3b、3d、3e、3gがオンすると、共通端子4aから、電流がアーム2e、2gを介して矢印ロの如く流れ、これがトランス6の一次側コイル、アーム2b、2dを介して共通端子4bに流れ、この電流の流れは、前記矢印イと逆方向となる。そして、IGBT3a、3c、3f、3hとIGBT3b、3d、3e、3gとを交互にオン・オフさせることにより、トランス6の一次側に逆方向の電流が交互に流れて、該トランス6の二次側に高周波の正弦波形が出力され、この高周波電流がCT等により大電流に変換されて加熱コイルに供給され、加熱コイルから発せられる磁束によってワークが例えば誘導加熱される。
Further, when the
この時、インバータ装置1の各アーム2a〜2hを流れる電流は、電流バランス手段8によって略同一電流となるようにバランスされる。すなわち、直流電源のプラス側の共通端子4a及びマイナス側の共通端子4bと、各アーム2a〜2hのIGBT3a〜3h間に差動トランスからなる電流バランス手段8が直列状態で接続されていることから、例えばアーム2a、2cの各導体13、14に流れる電流値の大きさが相違する場合、大きな電流値が流れる導体13、14に対しては電流バランス手段8が電流の増大を抑制する抵抗として作用し、小さな電流が流れる導体13、14に対しては電流バランス手段8が電流を増大させる起電力を発生させる。
At this time, the currents flowing through the arms 2 a to 2 h of the
そして、電流バランス手段8が上流側と下流側の2つのバランス部8a、8bを有することから、上流側のバランス部8aで十分にバランスできなかったアンバランス電流等が、下流側のバランス部8bでバランスされることになり、電流のアンバランスが確実に解消された状態となる。また、共通端子4aと共通端子4bにそれぞれ電流バランス手段8が接続されていることから、各電流バランス手段8により各アーム2aと2c、アーム2bと2d、アーム2eと2g、アーム2fと2hを流れる電流がそれぞれバランスされる状態となる。この時、導体13、14として積層された複数枚の銅板15が使用されることから、高周波電流が各銅板15の表層を流れる状態となり、所定電流容量の導体13、14が容易に得られると共に、フルブリッジのインバータ装置1の各アーム2a〜2h(各IGBT3a〜3h)を流れる電流値が略同一にバランスされて、特に高周波でハイパワータイプのインバータ装置1等に発生し易い、電流のアンバランスが効果的に解消される。
Since the current balance means 8 has the two
このように上記実施形態のインバータ装置1によれば、フルブリッジに接続されたアーム2a〜2hのうち、並列状態の1対のアーム2a〜2h(例えばアーム2aと2cあるいはアーム2eと2g等)のIGBT3a〜3hと、直流電源のプラス側の共通端子4a及びマイナス側の共通端子4b間に電流バランス手段8をそれぞれ設けているため、一対のアーム2a〜2hに流れる電流をバランスさせることができて、電流のアンバランス(過電流)による各IGBT3a〜3hの焼損等の破損を防止することができる。
As described above, according to the
特に、電流バランス手段8が、2つの貫通孔11、12と、この各貫通孔11、12に逆方向に挿通された一対の導体13、14によって、上流側と下流側の2つのバランス部8a、8bを有する如く形成されていることから、上流側のバランス部8aでバランスできなかったアンバランス電流を下流側のバランス部8bでバランスできて、高周波でハイパワータイプのインバータ装置1等に生じ易い電流のアンバランスを極めて高い精度でバランスすることができる。
In particular, the current balance means 8 includes two through-
また、各導体13、14が所定幅の銅板15で形成され、この銅板15の所定位置を屈曲させることにより引出し部13a、13b、14a、14b、コア挿通部13c、14cと連結部13d、14d等で形成され、これらを所定位置で半田付けやロウ付けで接続することにより形成されているため、略同一形状の銅板15を使用して略対称形状の導体13と導体14の製造を簡単に行うことができる。特に、導体13と導体14が、積層された複数枚の薄い銅板15で形成されると共にその所定の表面が絶縁処理されているため、例えば銅板15の折り曲げが容易となって各導体13、14の製造を一層簡単かつ安価に行うことができる。
The
また、導体13、14のコア挿通部13c、14cが挿通されるコア10が、E型コア10aとI型コア10bを接合することにより形成されているため、既存のコア10a、10bを使用して2つの貫通孔11、12を有するコア10を形成できて、コア10自体のコストの低減化を図ることができると共に、E型コア10aの開口を利用して各導体13、14のコア挿通部13c、14cを挿通した後にI型コア10bを接合する等、分割状態の導体13、14とコア10により、各導体13、14のコア10の各貫通孔11、12への挿通作業を簡単に行うことができる。
Further, since the core 10 through which the
さらにまた、導体13、14として銅板の薄板15を複数枚積層して使用しているため、各銅板15の表層(表面)を流れる高周波電流により導体13、14全体の電流容量を十分に確保することができて、大電流の高周波電流にも的確に対応することができる。これらのことから、導体13、14の製造コストの低減化を図ることができると共に、組み付けコストやメンテナンスコストの低減化及びIGBT3a〜3hの破損防止による部品コストの低減化等が図れて、例えばハイパワータイプのインバータ装置1や加熱コイルが着脱可能で加熱コイルとのマッチング不良が発生し易いタイプのインバータ装置1であっても、安価で故障の少ない高性能な装置を容易に提供することが可能となる。
Furthermore, since a plurality of
さらに、例えばコア10に、図示しない巻線を巻回し、この巻線に誘起される電流を検出して電流バランス手段8に異常検出機能を兼用させるようにすれば、直流電源の共通端子4a、4b側に設けた電流バランス手段8により異常電流を素早く検出できて、IGBT3a〜3hの破損等を一層確実に防止できると共に、電流バランス手段8に異常電流の検出機能を兼用できて、コスト安価な異常検出装置を得ることができる。
Further, for example, if a winding (not shown) is wound around the
図4は、前記電流バランス手段8の変形例を示す図3と同様の正面図及び側面図である。以下、上記実施形態と同一部位には同一符号を付して説明する。この例の電流バランス手段8の特徴は、平板状の導体13と導体14がコア10の板厚方向と略平行となるように配置されている点にある。すなわち、各導体13、14のコア挿通部13c、14cが、コア10の各貫通孔11、12内で面状に所定の間隙を有して対向配置されており、この対向配置部分により前記バランス部8a、8bが形成されている。この変形例においても、上記実施形態と同様の作用効果が得られる他に、各導体13、14のコア挿通部13c、14cを近接対向配置できて、差動トランスの結合係数を高め、バランス効率が一層高められる等の効果を奏することができる。
FIG. 4 is a front view and a side view similar to FIG. 3 showing a modification of the current balance means 8. Hereinafter, the same parts as those in the above embodiment will be described with the same reference numerals. The characteristic of the current balance means 8 in this example is that the
なお、上記実施形態においては、インバータ装置1が、8つのアーム2a〜2hを有する1つのフルブリッジ回路1aである場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、例えばハーフブリッジのインバータ装置にも適用できるし、あるいはブリッジ回路1aを図1の二点鎖線で示すように、1a、1b・・と複数組並列接続したインバータ装置1にも適用できる。このフルブリッジ回路1a、1bを複数組並設する場合は、各フルブリッジ回路1a、1bの各アームに電流バランス手段8をそれぞれ設ければ良く、またこの場合、各フルブリッジ回路1a、1bの入力側に所定数の電流バランス手段を入力合成回路として設けたり、各フルブリッジ回路1a、1bの出力側に所定数の電流バランス手段8を出力合成回路として設けることもできる。
In addition, in the said embodiment, although the case where the
また、上記実施形態においては、コア10に設けられる貫通孔11、12が2個、すなわち電流バランス手段8のバランス部8a、8bの数が2個である場合について説明したが、例えばコア10に3個以上の貫通孔(電流バランス手段8に3個以上のバランス部)を設ける構成としても良く、コア10に貫通孔を3個以上設ける場合、各貫通孔を直線状に配置したり円周状に配置する等、適宜の配置形態を採用することができる。さらに、本発明における、導体13、14としては、積層された銅板15に限らず、一枚ものの銅板でも良いし、電線等の導体を使用することも可能である。
Moreover, in the said embodiment, although the case where the number of the through-
また、上記実施形態においては、コア10の貫通孔1、12の形状(開口形状)を方形状に形成したが、例えば図4(a)の二点鎖線で示すように円形に形成したり、楕円形で形成することもできるし、コア10自体もE型コア10aとI型コア10bの接合による一体化に限らず、例えば図4(a)に示すように、2つのE型コア10aを接合することにより形成することもできる。
Moreover, in the said embodiment, although the shape (opening shape) of the through-
またさらに、上記実施形態においては、半導体スイッチング素子としてIGBT3a〜3hを使用したが、例えば通常のトランジスタ、サイリスタ、FET等のスイッチング機能を有する各種半導体を使用することができる。また、上記実施形態におけるインバータ装置1の回路例や銅板15(導体13、14)の形態等も一例であって、例えば各アーム2a〜2hのIGBT3a〜3hにダイオード、抵抗、コンデンサ、コイル等を直列接続したり並列接続して、IGBT3a〜3hの破損を防止する回路構成とする等、本発明の要旨を逸脱しない範囲において適宜に変更することができる。
Furthermore, in the above-described embodiment, the
本発明は、ロウ付けや焼入れ、焼鈍し等の高周波誘導加熱装置用のインバータ装置以外に、電子レンジや誘導加熱(IH)調理器等の各種電磁調理器用、モータや電動機あるいは蛍光灯等の駆動回路用の各種インバータ装置にも適用することができる。 In addition to inverter devices for high-frequency induction heating devices such as brazing, quenching, and annealing, the present invention is used for various electromagnetic cookers such as microwave ovens and induction heating (IH) cookers, and for driving motors, electric motors, fluorescent lamps, etc. The present invention can also be applied to various inverter devices for circuits.
1:インバータ装置、1a、1b:フルブリッジ回路、2a〜2h:アーム、3a〜3h:IGBT、4a、4b:共通端子、5a、5b:出力端子、6:トランス、7:負荷、8:電流バランス手段、8a、8b:バランス部、10:コア、10a:E型コア、10b:I型コア、11、12:貫通孔、11a、11b、12a、12b:開口、13、14:導体、13a、13b、14a、14b:引出し部、13c、14c:コア挿通部、13d、14d:連結部、15:銅板。 1: inverter device, 1a, 1b: full bridge circuit, 2a-2h: arm, 3a-3h: IGBT, 4a, 4b: common terminal, 5a, 5b: output terminal, 6: transformer, 7: load, 8: current Balance means, 8a, 8b: balance part, 10: core, 10a: E type core, 10b: I type core, 11, 12: through hole, 11a, 11b, 12a, 12b: opening, 13, 14: conductor, 13a , 13b, 14a, 14b: drawer portion, 13c, 14c: core insertion portion, 13d, 14d: connecting portion, 15: copper plate.
Claims (3)
前記電流バランス手段は、少なくと4つの開口を形成する複数の貫通孔を有するコアと、該コアの各貫通孔の一方の開口から他方の開口に向けて挿通されると共に各貫通孔間に直列状態で接続された一対の導体とを備え、前記一対の導体は、コアの各貫通孔部分において電流が逆方向に設定されていることを特徴とする高周波加熱用インバータ装置。 A high-frequency heating inverter device comprising a plurality of arms having semiconductor switching elements connected by bridges, and provided with current balancing means between the common terminal and each semiconductor switching element,
The current balancing means includes a core having a plurality of through holes forming at least four openings, and is inserted from one opening of each through hole of the core toward the other opening, and in series between the through holes. And a pair of conductors connected in a state, wherein the pair of conductors has a current set in the opposite direction in each through-hole portion of the core.
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